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复盘2023:固态电池中场战事

   2024-01-12 高工锂电30820
核心提示:对于固态电池来说,高安全性和高能量密度是核心竞争力

2024年的第一个月尚未过半,海外已频频传来固态电池技术“突破”的消息。

日本电池企业Maxwell开发出圆柱形全固态电池,容量达到200毫安时,比传统方形电池容量高出25倍,且在耐热性和循环寿命等方面都具有优良表现,样品最早可于本月出货。

美国固态电池公司QuantumScape宣称,其固态电池通过了大众集团的耐久性测试,可实现“充电循环超1000次,容量仍高于95%”,远超出“700次充电循环中允许20%最大容量损失”的行业标准。

(本文来源:微信公众号 高工锂电 ID:weixin-gg-lb)

消息放出后,QS美股股价一度涨超50%。受此影响,A股市场中的固态电池板块也开始接连飘红,部分概念股甚至出现连板。资本市场的热烈反映,将长时间来苦于技术研发的固态电池骤然推至聚光灯下。

对于固态电池来说,高安全性和高能量密度是核心竞争力,耐久性,即循环寿命,则是其需要补足的短板。由此看来,随着固态电池研发战线的不断拉长,外界对其综合表现的期待、要求也越来越高。高工锂电注意到,过去一年公开中,已有全固态电池被叠加上了4C、6C的快充能力,愈发符合电池“终极形态”这一称号。

与此同时,作为过渡方案、为全固态电池研发争取窗口期的半固态电池,也进入了量产装车的关键阶段,2024年还将迎来产能的爬坡和市场需求的进一步释放。据高工锂电不完全统计,截至2023年12月,国内半固态电池的产能规划累计超过298GWh,落地产能接近15GWh。同期,半固态电池出货突破GWh级别,在2024年还有望实现5GWh级别。

进一步复盘发现,2023年(半)固态电池的发展呈现出三大明显特质。

首先,技术方案多点散落,攻关围绕着固态电解质展开。

理论上,在全固态电池中,固态电解质将实现对于电解液和隔膜的完全取代。固态电解质不易燃、耐高温、化学活性低,能直接大幅提升电池在安全性上表现。

如果说高安全性是固态电池的“天赋”,那么它向上突破能量密度限制的可能性,则是固态电池在诸多新技术路径中被认定为“终极电池”的核心因素。

固态电解质有更宽的电压窗口(可达5V以上),因此能兼容更高比容量的正负极材料,如超高镍正极、富锂锰基正极、硅基负极和锂金属负极等。

据高工锂电梳理,(半)固态电池产品普遍搭载高比容正负极材料使用,已公开半固态电池的单体能量密度可突破400Wh/kg,宁德时代凝聚态电池的单体能量密度为500Wh/kg,数值上已接近全固态电池的表现。

不过,固态电池的原生劣势也来自于固态电解质。固态电解质与正负极材料之间接触为固-固界面,会产生抗阻大、稳定性差的问题,由此进一步引发电池电量衰减和循环寿命的缩短。

目前,业内对这一难题的解决,主要通过改进固态电解质结构、成分,提高正负极材料的应力/应变等手段。例如,广汽埃安对固态电解质成分进行特殊设计,令其可在负极表面诱导形成界面缓冲层,以降低界面阻抗、提升界面稳定性。

而由于此前技术路线选择的不同,海外侧重于硫化物固态电解质体系,国内侧重于氧化物体系,具体对应产品的长短板也有所不同。硫化物材料电压窗口低,直接影响了其与更高比容正负极材料的兼容性,有待修饰调整。

氧化物材料具备最高的电压窗口,更适配高压正极材料,且其制备对于环境要求不苛刻,经济性强,利于大规模生产和应用。不过,其刚性太强、较为易碎,并不利于被集成到全固态电池中。

基于此判断,接下来对于海外固态电池产品,需重点关注其在能量密度上的突破;而对于国内固态电池的研发来说,需要注意在硫化物或其他固态电解质体系研发进度上的追赶。

其次,赛道火热,半固态电池量产先行。

从入局玩家来看,固态电池赛道有不少初创电池企业挤入,汽车主机厂的热情则不断升高,通过在内部组建自研团队、对外还与电池厂商或初创企业进行合作,多处“押宝”。

不过,目前国内的头部电池企业如宁德时代、比亚迪等,在固态电池的布局较为低调,集中在专利积累阶段,并未对外公开产品。除了宁德时代表示将在2024年推动其500Wh/kg凝聚态电池的车规级应用之外,也暂未有更多明确的固态电池规划公布。

从下游需求来看,目前,国内已上车半固态电池集中在蔚来、东风汽车的少数车型上,装车队伍有待进一步扩大。2024-2025年,明确公布半固态电池车型销售计划的也暂有上汽、广汽等。

GGII数据显示,2023年全年,国内半固态电池的出货量已达到GWh级别。其中,以初创电池企业卫蓝新能源为代表,其在2023年的固态电池装车量便达到了0.8GWh。2024年,2024年,国内搭载(半)固态电池上市销售的新车型将超过5款,出货量有望实现5GWh。

与此同时,国内固态电池的产能规划已经接近300GWh,2023年落地产能约15GWh。

不过,其所需固态电解质的产能并未跟上,仅有3家企业进行相关布局,目前暂未有产能落地。固态电解质及其他关键材料的供应,主要由固态电池企业的一体化产能,以及原正负极材料供应商进行小规模供应。

最后,窗口期任务紧迫:半固态降本,全固态挑战“全能”。

将固态电池与同样在近两年被视为“新电池”代表的大圆柱电池进行后发现,虽然固态电池在国内的产能规划更多,但其出货量的不确定性却更大。

国内外,大圆柱产能规划同样在300GWh级别,其中国内为150GWh,而2024年,仅是向特斯拉供应的大圆柱电池出货量便有望达到30GWh;2025年随着宁德时代、亿纬锂能的产品交付宝马,大圆柱的市场空间还将进一步打开。头部主机厂较为确定性的需求,为大圆柱电池市场的核心驱动因素。

反观固态电池领域,2023年,部分半固态电池产品发布并装车“亮相”:半固态电池在近两年较为确定的订单集中在造车新势力蔚来上,除了3款搭载车型之外(蔚来ET7/东风E70/岚图追光),也并没有公布意象需求的具体数字。

不难发现,在产能落地进度还远远不够的情况下,国内半固态电池供给与需求不相匹配的迹象却已经隐隐浮现。究其原因,主要是半固态电池的理论成本优势还未能显现。

无论是采用氧化物固态电解质体系,还是保留传统电解液的使用,半固态电池与现有产线兼容度高,生产工艺挑战小,因此在理论上可以提前进入产业化阶段。

不过,国内不同固态电池企业对于其半固态电池成本的公开表述是有所差异的。清陶能源曾表示,其将于2024年上半年装车的半固态电池,成本已接近液态锂电池。而已经搭载于蔚来汽车上的卫蓝半固态电池,据披露的单颗成本高达30万元。

造成此现象有多重原因。

其一,其核心材料固态电解质产业链的发展处于早期,加工成本高昂。清陶能源由于具备一体化产能,在成本上才占有了一定优势。

其二,为实现更高能量密度,半固态电池需采用更高比容的正负极材料,材料价格更高。

综合卫蓝新能源、清陶能源披露的数据来看,正、负极材料与制造费用共占据了超过7成的生产成本。半固态电池的降本空间,有待于材料技术的迭代和制备工艺的提高。但从投融资数据来看,资本仍集中在对于固态电池企业的多轮投资上,尚未深入到上游供应链如新型材料或生产设备工艺等领域。

其三,部分半固态电池的能量密度提升还较为有限,电池包单位成本由此未能降低。以300Wh/kg的单体能量密度来看,液态电池、大圆柱电池也可以实现,其量产经济性也还更高。

其四,半固态电池的规模生产效应仍未显现,有待随着市场渗透率的提升。

值得注意的是,目前对于固态电池而言,市场正在期待着综合高能量密度、高安全性、长电池寿命的全能型选手出现,这要求企业进行更为长足的规划。

例如,近期国内出台车网互动政策文件,提出了到2025年初步建成车网互动技术标准体系、2030年车网互动实现规模化应用的要求,这对于新能源汽车的电池循环寿命将提出更高要求。此背景下,电池耐久性将将从有待补齐的木桶短板,向技术攻关的重点方向转变,继而对量产也提出新的挑战。

再如,已有多个固态电池产品集成了超充、快充的能力,如太蓝新能源半固态电池可实现平均4C快充,丰田全固态电池产品可“充电10分钟行驶1200公里”等,市场对于“终极电池”的胃口也随之被不断撑大。

总的来看,短期内降低半固态电池的成本,中长期占领全固态电池的技术高地和量产应用,对于相关研发团队来说,是需要两手抓的紧迫任务,却又可能在内部形成互相竞合的力量。

半固态电池还需要等待强势车型或强势主机厂的订单,以在市场中站稳脚跟,并倒逼全固态电池的技术开发和工业化进展。

 
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